BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ THĂNG KHOA

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ
chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC
CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Công nghệ chế tạo máy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2010

0


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo
đã được ghi rõ trong luận văn.
Tác giả

Lê Thăng Khoa

1



8

1.1. Tổng quan về nghiên cứu gia công cao tốc

8

1.1.1. Lịch sử phát triển

8

1.1.2. Hiệu qủa kinh tế

17

1.2. Giới hạn nghiên cứu

18

1.2.1. Đối tượng nghiên cứu

18

1.2.2. Giới hạn nghiên cứu

18

1.3. Kết luận

18

2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

27

2.4.1. Ảnh hưởng do biến dạng hệ thống công nghệ

27

2.4.2. Ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ

29

2


2.4.3. Ảnh hưởng do mòn dao

29

2.4.4. Ảnh hưởng do sai số của phôi

30

2.4.5. Ảnh hưởng do độ chính xác và tình trạng mòn của máy, đồ gá, dao

31

2.4.5.1. Ảnh hưởng của máy

31


35

2.4.6.6. Ảnh hưởng do phương pháp đo và dụng cụ đo gây ra

35

2.5. Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt
2.5.1. Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình
học
2.5.2. Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài
2.5.3. Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và
dụng cụ cắt tiên tiến
2.5.4. Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô
2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc

35
35
36
36
37
37

2.6.1. Ảnh hưởng của lực cắt đến Ra, Rz

37

2.6.2. Ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo đến Ra, Rz

40


50

3.2.3 Dụng cụ cắt

50

3.2.4 Sơ đồ gia công

51

3.2.4 Đo độ bóng chi tiết sau gia công

51

3.3. Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu

53

3.4. Kết luận

55

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

57

4.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt V(m/ph)

57



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn.
Theo xu thế chung của sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại trên Thế giới.
Việt Nam chúng ta có những bước phát triển rất đáng kể, đặc biệt là trong công
nghiệp. Nhưng so với nền công nghiệp của các nước phát triển trên thế giới chúng
ta còn nhiều thua kém. Chính vì vậy việc đào tạo những trí thức trẻ cho tương lai là
một việc hết sức quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết của nền công nghiệp
hiện đại.
Yêu cầu cấp thiết của cơ khí nước ta hiện nay là dần dần nội địa hoá các sản
phẩm cơ khí chính xác nhằm đưa công nghệ kỹ thuật Việt Nam đuổi kịp với sự
phát triển của các nước trong khu vực. Để làm được điều này thì việc nghiên cứu,
ứng dụng các phương pháp gia công tiên tiến vào sản xuất là một việc cấp thiết.
Việc gia công các chi tiết có các thông số kỹ thuật phức tạp bằng các máy móc
và kỹ thuật cổ điển là rất khó khăn, đạt độ chính xác thấp và chỉ gia công được các
bề mặt có độ phức tạp, chính xác không cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển của
các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại: Công nghệ hàng không, chế tạo ôtô, khuôn
mẫu, quân sự..., thì xuất hiện càng nhiều các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao. Việc
ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC,
công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình
học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn. Cùng với đó, con người
ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó. Nhiều đề tài nghiên cứu,
báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công các chi tiết
có thông số kỹ thuật phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí chuyên ngành.
Với mục đích góp phần nâng cao độ chính xác gia công.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn.
2.1. Ý nghĩa khoa học.
Gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp được áp dụng nhiều trên các máy
CNC. Nó giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trở nên

Do vậy trong quá trình thực hiện, tôi đã chọn đề tài luận văn làm tốt nghiệp:
“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công
khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC”.
Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

6


Chương 1- Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước và
giới hạn của đề tài.
Chương 2- Độ chính xác gia công và các yếu tố ảnh hưởng.
Chương 3- Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm.
Chương 4- Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁY GIA CÔNG CAO TỐC
1.1.1 Lịch sử phát triển
Năm 2001 hãng Fanuc và một hãng khác thiết kế, chế tạo thành công hệ
điều khiển với độ chính xác Nano cho máy công cụ gia công cao tốc CNC.
Gia công cao tốc (High Speed Machining) là một trong những công nghệ gia công
hiện đại. So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc có khả năng
nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công và cũng có thể
giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công. Ngoài thuật ngữ (High Speed
Machining) nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng ám chỉ gia công cao tốc: HighVelocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency Machining,
High Agile Machining và High Productivity Machining. Theo cách hiểu thông

Gia công với năng suất cao.
Thực tế thì gia công cao tốc không đơn giản là cắt với tốc độ cao. Nó phải được

xem như là một quá trình gia công mà ở đó các bước gia công được thực hiện bằng
những phương pháp và thiết bị gia công rất cụ thể. Gia công cao tốc cũng không
phải là gia công với tốc độ trục chính cao bởi vì có nhiều ứng dụng gia công cao tốc
được thực hiện với máy có tốc độ bình thường. Gia công cao tốc thường được sử
dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử dụng cả hai yếu tố là tốc độ cao và
lượng ăn dao cao. Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác
nhau (hình 1.2 Nguồn http://cokhi-hui.com).

Hình 1.2. Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu
Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao
(high spindle speed), lượng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp và

9


hơn thế nữa. Tốc độ trục chính khoảng 8000 vg/ph có thể là điểm khởi đầu cho gia
công cao tốc. Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc trên các máy công
cụ ngày càng tăng, lên đến 40.000 vg /ph và hơn thế nữa. Tốc độ ăn dao trung bình
ít nhất là 10m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40m/ph và cao hơn, công
suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW.
Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc
Gia công cao tốc đã được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy
chọn tốc độ trục chính cao.
Gần đây các nhà chế tạo máy công cụ đã thiết kế, chế tạo và phát triển các dòng
máy dùng cho gia công cao tốc. Để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống
dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:
•


•

Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao…

•

Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc như có khả
năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS, có chức năng look
ahead.

•

Ưu điểm của gia công cao tốc
So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ưu điểm nổi bật. Nó
có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công,
tùy trường hợp.

Một số ưu điểm khác của gia công cao tốc như sau:
•

Tốc độ bóc vật liệu cao.

10


•

Chất lượng bề mặt gia công tốt.


yếu được gia công trên máy tiện máy truyền thống và máy gia công cao tốc CNC
cho nên các máy tiện, nhất là trung tâm tiện cao tốc CNC, đóng một vai trò rất quan
trọng. Sự phát triển của các trung tâm tiện CNC theo sát sự phát triển của các trung
tâm gia công CNC (CNC machining center). Sự thay đổi cơ bản đáng chú ý nhất ở
các trung tâm tiện là sử dụng băng máy nghiêng, nhờ đó mà các thiết bị khác được
bố trí dễ dàng hơn trong vùng gia công. (Hình 1.3)

Hình 1.3. Đầu rơ-vôn-ve với 8 hoặc 12 dao

11


Hầu hết các trung tâm tiện đều có đầu rơ-vôn-ve với 8 hoặc 12 dao với nhiều kiểu
khác nhau, có một hoặc nhiều trục chính được bố trí theo phương thẳng đứng hoặc
nằm ngang. Các trung tâm tiện cao tốc CNC được phân thành các nhóm cơ bản sau:
•

Trung tâm tiện phay (X, Z, C).

•

Trung tâm tiện phay (X, Z, C).

•

Trung tâm tiện nhiều trục (X, Z, C, Y).

•

Trung tâm tiện đứng.

được phân độ (quay) một cách hợp lý để gia công được các biên dạng cần thiết. Đây
được gọi là trục C. Trên hình 1.4 biểu diễn đầu rơ-vôn-ve của trung tâm tiện-phay
với động cơ dẫn động dao phay.
- Trung tâm tiện có hai đầu rơ-vôn-ve

Hình 1.5. Trung tâm tiện có hai đầu rơ-vôn-ve (Nguồn http://cokhi-hui.com)
Trên hình 1.5 là trung tâm tiện với hai đầu rơ-vôn-ve. Hai đầu rơ-vôn-ve này có
chuyển động độc lập nhau. Ưu điểm chính của dòng máy này là nó có khả năng gia
công hai dao cùng một lúc. Khi gia công hai dao đồng thời thì lượng phoi sinh ra
khá lớn, do đó cần phải lấy phoi đi một cách cẩn thận
- Trung tâm tiện cao tốc CNC Đứng

Hình 1. 6. Trung tâm tiện đứng V160 của hãng INDEX Corp (http://cokhi-hui.com)
Đối với các chi tiết có đường kính lớn thì rất khó gia công trên các máy có trục nằm
ngang. Trong trường hợp này người ta sử dụng trung tâm tiện đứng để thay thế.

13


Trung tâm tiện đứng là bước phát triển máy tiện đứng theo hướng gia công hoàn
thành chi tiết chỉ trong một lần gá đặt. Chúng thường có một trục dịch chuyển theo
phương thẳng đứng. Trục này mang một đầu phay hoặc là một sự kết hợp của đầu
trượt với một cổng di động. Đầu trượt này có thể kết hợp một đầu phay hoặc các
dao tiện. Trung tâm tiện đứng có thể sử dụng bàn máy quay tròn quanh trục thẳng
đứng và các phôi nặng sẽ được lắp trên bàn máy đó. Cũng có loại trung tâm tiện
đứng mà chi tiết được lắp trên mâm cặp của trục chính ở phía trên còn đầu rơ -vônve ở phía dưới. Loại này dùng để gia công chi tiết cỡ nhỏ hơn so với trung tâm tiện
đứng truyền thống. Trên hình 1.6 là trung tâm tiện đứng kiểu này.
Với việc tích hợp nhiều tính năng, một số hãng đã phát triển các trung tâm tiện
đứng thành các máy đa chức năng. Các máy này có thể thực hiện được các nguyên
công như tiện, khoan, phay, mài, cắt răng, Ví dụ điển hình cho loại máy này là dòng

Gia công thường

Gia công cao tốc

Tốc độ trục chính, vg/ph

4.000

8.000 ÷ 50.000

Tốc độc chạy dao trên các trục, mm/ph

10.000

2.500 ÷ 60.000

Tốc độ chạy dao nhanh, mm/ph

20.000

20.000 ÷ 60.000

Gia tốc, g

-

0,5 ÷ 2,0

Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia
công cao tốc. Tuy nhiên, nói chung, để thực hiện được gia công cao tốc thì máy

điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả
năng look ahead, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS.
Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao khung máy và các hệ thống hỗ
trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt, phải có
độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc. Thiết bị che
chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự cố về
dao. Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc.
•

Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có đồng tâm cao và cân bằng tốt.

Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay |F|
= mw2r. Sự mất cân bằng trong hệ thống cũng như sự không đồng tâm sẽ làm gia
tăng lực li tâm, gây rung động máy. Do đó hệ thống gá dao và kẹp chặt dao, trục
chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc.
•

Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội

Gia công cao tốc yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất
cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả. Ở tốc độ quay cao thì xung quanh dao
cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể
làm nguội hiệu quả. Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch
hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng

16


lọc tốt. Trong nhiều trường hợp người ta thích sử dụng gia công cao tốc khô để loại
trừ các rắc rối do hệ thông cấp dung dịch trơn nguội không đạt yêu cầu.

- Thời gian gia công chi tiết trên máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với máy
vạn năng do tập trung nguyên công cao.
- Máy gia công cao tốc không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá kẹp phôi.
1.2. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
Việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc
CNC, công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng
hình học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn. Cùng với đó, con
người ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó. Nhiều đề tài
nghiên cứu, báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công
các chi tiết có thông số kỹ thuật phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí cơ khí.
Thép là một loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong thực tế, đặc biệt là thép
không gỉ SUS 304. Loại vật liệu này đã, đang và sẽ được sử dụng rất rộng rãi trong
công nghiệp và trong đời sống hàng ngày, trong các nhà máy hoá chất, công nghiệp
đóng tàu, chế tạo máy bay… Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu về tính gia công để
xác định chế độ cắt và sử dụng loại vật liệu này hiệu quả hơn.
1.2.2. Giới hạn nghiên cứu của luận văn: Gồm các nội dung sau.
- Nghiên cứu tính gia công của thép không gỉ SUS304
- Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ cắt đến ( Ra , Rz)
- Nghiên cứu ảnh hưởng lượng chạy dao đến ( Ra , Rz)
- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu cắt đến ( Ra , Rz)
1.3. KẾT LUẬN
Qua nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công cao tốc, tìm hiểu các công trình
nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Kết hợp với việc nghiên cứu sự ảnh hưởng
các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến độ chính xác gia công.
Gia công cao tốc trên máy tiện CNC có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí
chính xác do khả năng gia công tốc độ cao những vật liệu có độ cứng, độ bền cao,
cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao có thể đạt cấp ∇8.

18

2.1. Khái niệm và định nghĩa
Các chi tiết máy khi được thiết kế đều có các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo tính
năng làm việc của chúng. Đó có thể là độ chính xác về kích thước hay vị trí tương
quan. Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bãn vẽ thiết kế. Khi gia công, việc đảm bảo các
yêu cầu kỹ thuật của chi tiết được ghi trên bản vẽ là rất cần thiết. Thực tế là giữa chi
tiết được gia công với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai số khác nhau, và
các sai số đó được gọi là sai số gia công.
Định nghĩa về độ chính xác gia công: Là mức độ giống nhau giữa chi tiết lý
tưởng trên bản vẽ thiết kế và chi tiết thực được gia công
Thực tế, không thể chế tạo được chi tiết máy hoàn toàn tuyệt đối chính xác, vì vậy
người ta dùng giá trị sai lệch của nó để đánh giá độ chính xác gia công.
Các dạng sai số: Được thể hiện theo sơ đồ (hình 2.1)
- Sai số trong từng chi tiết
- Sai số trong loạt sản phẩm

Hình 2.1. Các dạng sai số
Độ chính xác của chi tiết máy được đánh giá theo các yếu tố sau đây:

20


- Độ chính xác kích thước
Đó là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích thước góc. Độ chính xác kích
thước được đánh giá bằng sai số của kích thước thực so với kích thước lý tưởng
được ghi trên bản vẽ.
- Độ chính xác hình dáng hình học
Đó là mức độ phù hợp giữa hình dáng hình học và hình dáng hình học lý tưởng
của chi tiết. Ví dụ, khi gia công chi tiết là mặt phẳng, độ chính xác hình dáng hình
học được đáng giá qua độ phẳng của nó so với độ phẳng lý tưởng.
- Độ chính xác vị trí tương quan.

2

I

1

II

III

δ
Hình 2.3. Mối quan hệ giữa các phương pháp gia công và giá thành
Hình 2.3. Mô tả mối quan hệ giữa giá thành gia công (C) và độ chính xác (sai
số: δ) của các phương pháp cắt gọt khác nhau. Đường 1 mô tả quan hệ giữa C và δ
khi gia công thô, đường 2- khi gia công tinh và đường 3 - khi mài.
Ta thấy đường cong 2 cắt cả hai đường cong 1 và 3, tạo ra 3 vùng khác nhau là
vùng I, vùng II và vùng III. Như vậy,vùng I có thể gọi là độ chính xác có thể đạt tới
(độ chính xác cao nhất), vùng II là độ chính xác kinh tế còn vùng III là độ chính xác
đảm bảo.Ta có thể phân tích các đường cong này như sau: Ví dụ, bằng phương pháp
tiện tinh (đường cong 2) có thể đạt được mức độ chính xác ở vùng I nhưng giá
thánh C cao, vì vậy bằng phương pháp tiện cao tốc cho ta giá thành hạ hơn( đường
cong 3). Độ chính xác ở vùng III có thể đạt được bằng tiện tốc độ cao (tinh) ( đường
cong 2) nhưng tốt hơn là dùng phương pháp gia công thô ( đường cong 1). Để đạt
độ chính xác ở vùng II tốt nhất là dùng phương pháp tiện tốc độ cao vì có giá thành
hạ nhất.

22


2.2. Các phương pháp đạt độ chính xác gia công trên máy công cụ

23


-

Độ chính xác gia công bị giới hạn bởi bề dày lớp phoi bé nhất có thể cắt được.
Với dao tiện hợp kim cứng mài bóng lưỡi cắt, bề dày bé nhất có thể cắt được
0.005 mm. Với dao đã mòn bề dày bé nhất có thể cắt được từ 0.02÷0.05 mm.
Người thợ không thể điều chỉnh lưỡi cắt hớt đi một kích thước bé hơn chiều dày
phoi nói trên, do đó không thể đảm bảo được sai số bé hơn chiều dày lớp phoi.

-

Người thợ phải tập trung khi gia công nên dễ mệt mỏi, dễ phát sinh phế phẩm

-

Do phải cắt thử nhiều lần nên năng suất thấp

-

Trình độ tay nghề người thợ yêu cầu cao

-

Năng suất thấp, tay nghề người thợ yêu cầu cao nên giá thành gia công cao
Phương pháp này chỉ sử dụng trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất loạt nhỏ, trong

công nghệ sửa chữa, chế thử. Ngoài ra, khi gia công tinh như mài vẫn dùng phương
pháp cắt thử trong sản xuất hàng loạt để loại trừ ảnh hưởng do mòn đá.